JP2014077047A - Core-shell type silica nanoparticles and method for producing the same - Google Patents

Core-shell type silica nanoparticles and method for producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide core-shell type silica nanoparticles formed by making an aliphatic polyamine having a primary amino group and/or a secondary amino group form a composite with silica in a shell layer, especially to provide fine core-shell type silica nanoparticles having excellent monodispersity and a diameter of several tens of nm or less; and to provide a simple and efficient method for producing the particles.SOLUTION: Provided is a method for producing core-shell type silica nanoparticles comprising steps of forming aggregates comprising a core layer containing a hydrophobic organic segment (a2) as a main component and a shell layer containing an aliphatic polyamine chain (a1) as a main component by mixing a copolymer (A) and an aqueous medium, the copolymer comprising an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and/or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2); and a step of performing a sol-gel reaction of silica source using the aggregates as a template; and the particles.

Description

本発明は、有機成分をコア部として有し、シェル層にシリカと有機成分とを含む、コア−シェル型シリカナノ粒子とその簡便な製法に関する。   The present invention relates to a core-shell type silica nanoparticle having an organic component as a core portion and containing silica and an organic component in a shell layer and a simple production method thereof.

近年、機能性ナノ構造材料の研究開発が盛んに行われ、さまさまの産業分野において、材料となる物質のナノ構造化、有機無機複合化、階層構造化などが研究されている。特に、コア−シェル構造を有するナノ粒子、例えばポリマーをコアとするコア−シェル型シリカナノ粒子はドラッグデリバリーシステム、除放性化粧品、診断材料、光学材料、中空材料形成などとしての利用が可能である。このようなコア−シェル構造を有するシリカナノ粒子は各種用途において求められる特性に応じて、機能性有機成分の導入や粒径又は構造の制御などの検討が様々行われている。   In recent years, research and development of functional nanostructured materials has been actively conducted, and in various industrial fields, research on nanostructure, organic-inorganic composite, and hierarchical structure of materials that become materials has been conducted. Particularly, nanoparticles having a core-shell structure, for example, core-shell type silica nanoparticles having a polymer as a core, can be used as drug delivery systems, sustained-release cosmetics, diagnostic materials, optical materials, hollow material formation, and the like. . Silica nanoparticles having such a core-shell structure have been studied in various ways such as introduction of functional organic components and control of particle size or structure depending on characteristics required in various applications.

ポリマーをコアとするコア−シェル型シリカナノ粒子の合成方法はエマルション重合法とテンプレート法に大別できる。エマルション重合法はシリカナノ粒子(ゾル)の存在下で疎水性モノマーを重合させて、シリカナノ粒子が形成したポリマー粒子の表面に付着し、シリカシェルを形成する方法である(例えば、非特許文献1参照)。このようにして得られたシリカシェルは、シリカナノ粒子が物理的に集合し形成した層であるため、構造的に不安定であり、例えば、コアであるポリマーを除去した後、シェル層が崩れてしまう場合がある。エマルション重合法で合成したポリマーをコアとするコア−シェル型シリカナノ粒子は有機無機複合塗料またはフィルムとして応用可能であるが、コア−シェル型ナノ粒子としての応用は困難である。   Synthesis methods of core-shell type silica nanoparticles having a polymer as a core can be roughly classified into an emulsion polymerization method and a template method. The emulsion polymerization method is a method in which a hydrophobic monomer is polymerized in the presence of silica nanoparticles (sol) and adhered to the surface of the polymer particles formed by silica nanoparticles to form a silica shell (for example, see Non-Patent Document 1). ). The silica shell thus obtained is a layer formed by physically assembling silica nanoparticles, and thus is structurally unstable. For example, after removing the core polymer, the shell layer collapses. May end up. Core-shell type silica nanoparticles having a polymer synthesized by an emulsion polymerization method as a core can be applied as an organic-inorganic composite coating or film, but application as core-shell type nanoparticles is difficult.

一方、テンプレート法は、合成したポリマーナノ粒子をテンプレートとして用いて、その粒子の表面にシリカのゾルゲル反応を行う事で、シリカシェルを形成する方法である。このテンプレート法の多くは、シリカナノ粒子の一般的な製造する法であるストーバー法に基づいて、アンモニアの存在下でシリカをポリマーラテックス粒子の表面に析出する(例えば、特許文献1〜2参照)。しかしながら、これらの方法はゾルゲル反応を行う際に高アンモニア濃度が要求されるなど、環境負荷が大きく、且つ生産性も低いものであった。また、前記特許文献1〜2で得られるコア−シェル型シリカナノ粒子は、シリカがシェルとしてポリマー粒子の表面に形成されるものであって、シリカのマトリックスに有機成分を導入したものではない。さらに、テンプレートとして用いるポリマーラテックス粒子の粒形が50nm以上であるため、粒径が50nm以下のコア−シェル型シリカナノ粒子の合成は困難であった。   On the other hand, the template method is a method of forming a silica shell by using a synthesized polymer nanoparticle as a template and performing a silica sol-gel reaction on the surface of the particle. In many of the template methods, silica is deposited on the surface of polymer latex particles in the presence of ammonia based on the Stover method, which is a general method for producing silica nanoparticles (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, these methods require a high ammonia concentration when performing the sol-gel reaction and have a large environmental load and low productivity. Further, the core-shell type silica nanoparticles obtained in Patent Documents 1 and 2 are those in which silica is formed on the surface of the polymer particles as a shell, and an organic component is not introduced into a silica matrix. Furthermore, since the particle shape of the polymer latex particles used as the template is 50 nm or more, it was difficult to synthesize core-shell type silica nanoparticles having a particle size of 50 nm or less.

近年、バイオシリカを模倣したナノシリカの合成が盛んでなされており、ポリアミン類をテンプレートとして用いる事で、水性媒体中、温和条件下でのシリカナノ粒子合成が検討されている。例えば、バイオシリカから抽出されたポリアミンを有するポリペプチド、合成ポリアリルアミン、カチオン性ポリマー、或いはブロックコポリマーなどを使用して、水性媒体中で球状シリカを合成することが検討されている(例えば、特許文献3〜4、非特許文献2〜6参照)。例えば、前記特許文献3では、アミノ系アクリレートからなるジブロックコポリマーミセルをテンプレートとして用いて、そのミセルのシェル層でシリカのゾルゲル反応を行う事で、カチオン性ポリマーをコアとし、粒径が35nmのコア−シェル型シリカナノ粒子が開示されている。ストーバー方法に基づいたシリカ析出とは異なって、ポリアミンミセルをテンプレートとして形成したシリカ層は、シリカのマトリックスにアクリレート系の三級ポリアミンが導入された有機無機複合体である。   In recent years, synthesis of nanosilica imitating biosilica has been actively carried out, and synthesis of silica nanoparticles under mild conditions in an aqueous medium has been studied by using polyamines as templates. For example, it has been studied to synthesize spherical silica in an aqueous medium using a polypeptide having a polyamine extracted from biosilica, a synthetic polyallylamine, a cationic polymer, or a block copolymer (for example, patents). References 3-4, non-patent references 2-6). For example, in Patent Document 3, a diblock copolymer micelle made of amino acrylate is used as a template, and a silica sol-gel reaction is performed in the shell layer of the micelle, whereby a cationic polymer is used as a core and the particle size is 35 nm. Core-shell type silica nanoparticles are disclosed. Unlike silica deposition based on the Stover method, a silica layer formed using polyamine micelles as a template is an organic-inorganic composite in which an acrylate-based tertiary polyamine is introduced into a silica matrix.

しかしながら、これらの方法では、透明樹脂フィラーなど幅広い分野で使用され得る単分散性がよく、粒径が30nm以下のコア−シェル型シリカナノ粒子を製造することが依然として困難であり、また、シェル層のシリカのマトリックスに導入されたポリアミンは芳香族ポリアミン(前記非特許文献4)又はアクリレート系三級ポリアミン(前記特許文献3)だけである。従来のシリカナノ粒子合成技術では、粒子径が均整であって、粒径が5〜30nm範囲内で制御でき、シェル層シリカのマトリックスに一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミンが導入された超微小なコア−シェル型シリカナノ粒子は合成されていない。   However, these methods have good monodispersibility that can be used in a wide range of fields such as transparent resin fillers, and it is still difficult to produce core-shell type silica nanoparticles having a particle size of 30 nm or less. The polyamines introduced into the silica matrix are only aromatic polyamines (Non-patent Document 4) or acrylate-based tertiary polyamines (Patent Document 3). In the conventional silica nanoparticle synthesis technology, an aliphatic polyamine having a primary particle group and / or a secondary amino group in the matrix of the shell layer silica having a uniform particle size and a particle size of 5-30 nm can be controlled. The introduced ultrafine core-shell type silica nanoparticles have not been synthesized.

特表2009−504632号公報Special table 2009-504632 gazette 特開2011−42527号公報JP 2011-42527 A 特表2010−502795号公報Special table 2010-502795 gazette 特開2006−306711号公報JP 2006-306711 A

A.Schmide et al.,Macromolecules,2009,42,3721.A. Schmide et al. , Macromolecules, 2009, 42, 3721. D.Morse,Nature,2000,403,289.D. Morse, Nature, 2000, 403, 289. N.Kroger,et al.,Science,2002,298,584N. Kroger, et al. , Science, 2002, 298, 584 A.Khanal,et al.,J.Am.Chem.Soc.,2007,129,1534.A. Kanal, et al. , J .; Am. Chem. Soc. , 2007, 129, 1534. J.Yang,et al.,Chem.Mater.,2008,20,2875.J. et al. Yang, et al. , Chem. Mater. , 2008, 20, 2875. M.Pi,et al.,Colloids and Surfaces B Biointerfaces,2010,78,193.M.M. Pi, et al. , Colloids and Surfaces B Biointerfaces, 2010, 78, 193.

上記実情を鑑み、本発明が解決しようとする課題は、一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミンをシェル層においてシリカと複合化させてなるコア−シェル型シリカナノ粒子を提供することであり、特には、単分散性に優れ粒径が数十nm以下である微小なコア−シェル型シリカナノ粒子を提供すること、および当該粒子の簡便且つ効率的な製造方法を提供することにある。   In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide core-shell type silica nanoparticles obtained by complexing an aliphatic polyamine having a primary amino group and / or a secondary amino group with silica in a shell layer. In particular, to provide fine core-shell type silica nanoparticles having excellent monodispersibility and a particle size of several tens of nm or less, and to provide a simple and efficient method for producing the particles. is there.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、水性溶媒中で一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミンと疎水性有機セグメントとを有する共重合体を溶解すると、容易にコア−シェル構造を有する会合体が得られること、その会合体をシリカ析出に触媒機能するテンプレートとし、シリカソースのゾルゲル反応を会合体のシェル層で選択的に進行させることによって、疎水性有機セグメント部分を主成分とするコア層と脂肪族ポリアミン部分とシリカとが複合されてなるシェル層とを有するコア−シェル型シリカナノ粒子が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have obtained a copolymer having an aliphatic polyamine having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment in an aqueous solvent. When dissolved, an aggregate having a core-shell structure can be easily obtained, and the aggregate is used as a template that catalyzes silica deposition, and the sol-gel reaction of silica source is selectively advanced in the shell layer of the aggregate. In order to complete the present invention, it is found that a core-shell type silica nanoparticle having a core layer mainly composed of a hydrophobic organic segment part, a shell layer formed by combining an aliphatic polyamine part and silica is obtained. It came.

即ち本発明は、一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)の該疎水性有機セグメント(a2)部分を主成分とするコア層と、前記脂肪族ポリアミン鎖(a1)とシリカ(B)とを主成分とする複合体からなるシェル層と、を有することを特徴とするコア−シェル型シリカナノ粒子、およびその製造方法を提供するものである。   That is, the present invention relates to the hydrophobic organic segment (a2) of the copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2). A core-shell type silica nanoparticle comprising: a core layer mainly composed of a portion; and a shell layer composed of a composite composed mainly of the aliphatic polyamine chain (a1) and silica (B). And a manufacturing method thereof.

本発明で得られるコア−シェル型シリカナノ粒子は、脂肪族ポリアミンと疎水性有機セグメントとを有する共重合体の自己組織化を設計することで、単分散性に優れた粒径が100nm以下、特に5−30nm範囲内の超微小なシリカナノ粒子である。また、従来のコア−シェル型シリカ微粒子とは異なり、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子のシェル層はシリカが形成するマトリックスに均質的に脂肪族ポリアミンが複合化された、分子レベルなハイブリッド構造を有する。また、該コア−シェル型シリカナノ粒子は、ポリアミン由来の化学的、または物理的な機能を備える。例えば、ポリアミンは強い配位子であるので、金属イオンをシリカ中に濃縮することが出来る。またポリアミンは還元剤であるので、濃縮された貴金属イオンを金属原子に還元して、シリカ/貴金属複合ナノ粒子を合成することもできる。また、ポリアミンはカチオン性ポリマーであることから、滅菌、耐ウイルスなどの機能を有するため、該ナノ粒子はそれらの機能を発見させることも出来る。従って、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子はドラッグデリバリーシステム、除放性化粧品、診断材料、光学材料、樹脂フィラー、研磨剤充填物、金属イオン/ナノ金属/金属酸化物のキャリアー、触媒、防菌剤、など多くの領域での応用展開が可能である。   The core-shell type silica nanoparticles obtained in the present invention are designed to have a self-organization of a copolymer having an aliphatic polyamine and a hydrophobic organic segment. Ultrafine silica nanoparticles in the 5-30 nm range. Further, unlike the conventional core-shell type silica fine particles, the shell layer of the core-shell type silica nanoparticles of the present invention has a hybrid structure at a molecular level in which aliphatic polyamines are uniformly complexed in a matrix formed by silica. Have The core-shell type silica nanoparticles have a chemical or physical function derived from polyamine. For example, since polyamines are strong ligands, metal ions can be concentrated in silica. In addition, since polyamine is a reducing agent, it is possible to synthesize silica / noble metal composite nanoparticles by reducing concentrated noble metal ions to metal atoms. In addition, since polyamine is a cationic polymer, it has functions such as sterilization and virus resistance. Therefore, the nanoparticles can also discover these functions. Therefore, the core-shell type silica nanoparticles of the present invention can be used in drug delivery systems, sustained-release cosmetics, diagnostic materials, optical materials, resin fillers, abrasive fillers, metal ions / nanometals / metal oxide carriers, catalysts, and prevention agents. Application development in many areas such as fungicide is possible.

また、本発明の製造方法では、生体系でのシリカ合成を模倣した反応法を用いることで、低温、中性などの温和な反応条件下で、単分散性に優れ、且つポリアミン機能を備えた超微小なコア−シェル型シリカナノ粒子を短時間で生産することが出来る。該製造方法は環境負荷が少なく、生産プロセスも簡便であり、且つ、各種用途に応じた構造設計が可能である。   In the production method of the present invention, by using a reaction method imitating silica synthesis in a biological system, it is excellent in monodispersity and has a polyamine function under mild reaction conditions such as low temperature and neutrality. Ultra fine core-shell type silica nanoparticles can be produced in a short time. The manufacturing method has a low environmental load, a simple production process, and a structural design corresponding to various uses.

実施例1で得た球状のコア−シェル型シリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of spherical core-shell type silica nanoparticles obtained in Example 1. FIG. 実施例5で得た紐状のコア−シェル型シリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。6 is a transmission electron micrograph of string-like core-shell type silica nanoparticles obtained in Example 5. FIG. 実施例8で得た複数コアを有するコア−シェル型シリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。6 is a transmission electron micrograph of core-shell type silica nanoparticles having a plurality of cores obtained in Example 8. FIG. 実施例11で得た複数コアを有するコア−シェル型シリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of core-shell type silica nanoparticles having a plurality of cores obtained in Example 11. FIG. 実施例12で得たシリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of silica nanoparticles obtained in Example 12. 実施例17で得たコア−シェル型シリカナノ粒子の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of core-shell type silica nanoparticles obtained in Example 17. FIG.

水存在下でのゾルゲル反応から、シリカ(酸化ケイ素)を、設計されたナノ構造/形状に作り上げるためには、三つの重要な条件が不可欠であると考えられる。それは、(1)形状/構造を誘導するテンプレート、(2)ゾルゲル反応を行う足場、(3)シリカソースを加水分解、重合させる触媒である。   In order to build silica (silicon oxide) into a designed nanostructure / shape from a sol-gel reaction in the presence of water, three important conditions are considered essential. It is (1) a template for inducing shape / structure, (2) a scaffold for conducting a sol-gel reaction, and (3) a catalyst for hydrolyzing and polymerizing a silica source.

本発明においては、上記三つの要素を満たすために、一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)を使用することを特徴とする。共重合体(A)を水性溶媒中に溶解すると、分子自己組織化によって、会合体を容易に形成することができる。その会合体はコア−シェル構造を有し、コアは疎水性有機セグメント(a2)であり、シェルはポリアミン鎖(a1)である。   In the present invention, in order to satisfy the above three elements, the copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2). It is characterized by using. When the copolymer (A) is dissolved in an aqueous solvent, an aggregate can be easily formed by molecular self-assembly. The aggregate has a core-shell structure, the core is a hydrophobic organic segment (a2), and the shell is a polyamine chain (a1).

本発明は、上記によって得られるコア−シェル構造を有する会合体をテンプレートとして用い、溶媒中で、脂肪族ポリアミン鎖(a1)の触媒効果によって、シリカソースのゾルゲル反応を、会合体のシェル層で選択的に行って、シリカのマトリックスに脂肪族ポリアミン鎖(a1)が複合化され、単分散性に優れた超微小なコア−シェル型シリカナノ粒子を製造できることを見出したものである。   The present invention uses the aggregate having the core-shell structure obtained as described above as a template, and in a solvent, the sol-gel reaction of silica source is carried out in the shell layer of the aggregate by the catalytic effect of the aliphatic polyamine chain (a1). The present inventors have found that ultrafine core-shell type silica nanoparticles excellent in monodispersity can be produced by selectively performing an aliphatic polyamine chain (a1) in a silica matrix.

[一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)]
本発明において、共重合体(A)中の一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)は、水性溶媒中で溶解して、疎水性有機セグメント(a2)をコアとする会合体を形成できれば特に限定されず、例えば、分岐状ポリエチレンイミン鎖、直鎖状ポリエチレンイミン鎖、ポリアリルアミン鎖などが使用できる。目的とするシリカナノ粒子を効率的に製造できる観点により、分岐状ポリエチレンイミン鎖を用いることが望ましい。また、ポリアミン鎖(a1)部分の分子量としては、疎水性有機セグメント(a2)とのバランスを取って、会合体を形成できる範囲であれば特に制限されないが、好適に会合体を形成できる観点から、ポリアミン鎖部分の重合単位の繰り返し単位数が5−10,000の範囲であることが好ましく、特に10−8,000の範囲であることが好ましい。
[Copolymer (A) having aliphatic polyamine chain (a1) having primary amino group and / or secondary amino group and hydrophobic organic segment (a2)]
In the present invention, the aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group in the copolymer (A) is dissolved in an aqueous solvent to form the hydrophobic organic segment (a2) as a core. If it can form the aggregate | assembly to make, it will not specifically limit, For example, a branched polyethyleneimine chain | strand, a linear polyethyleneimine chain | strand, a polyallylamine chain | strand etc. can be used. From the viewpoint of efficiently producing the target silica nanoparticles, it is desirable to use a branched polyethyleneimine chain. In addition, the molecular weight of the polyamine chain (a1) portion is not particularly limited as long as it is within a range that can form an aggregate in a balanced manner with the hydrophobic organic segment (a2), but from the viewpoint of suitably forming an aggregate. The number of repeating units of the polymer units of the polyamine chain portion is preferably in the range of 5 to 10,000, particularly preferably in the range of 10 to 8,000.

又脂肪族ポリアミン鎖(a1)部分の分子構造も特に限定されず、例えば、直鎖状、分岐状、デンドリマー状、星状、又は櫛状などが好適に使用できる。シリカ析出にテンプレートとする会合体を効率的に形成でき、製造コストなどの観点から、分岐状ポリエチレンイミン鎖を用いることが好ましい。   Further, the molecular structure of the aliphatic polyamine chain (a1) portion is not particularly limited, and for example, a linear shape, a branched shape, a dendrimer shape, a star shape, or a comb shape can be preferably used. It is preferable to use a branched polyethyleneimine chain from the viewpoint of production cost and the like because an aggregate used as a template for silica deposition can be efficiently formed.

一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)の骨格には一種アミン重合単位のみからなるものであっても、二種類以上のアミン単位の共重合からなるポリアミン鎖(共重合体)であっても良い。また、脂肪族ポリアミン鎖(a1)の骨格には、水性媒体中で会合体を形成できる範囲であれば、アミン以外の重合単位が存在していてもよい。好適に会合体を形成できる点からは、脂肪族ポリアミン鎖(a1)のアミン骨格の中に、他の重合単位の割合が50モル%以下で含まれていることが好ましく、30モル%以下であることがより好ましく、15モル%以下であることが最も好ましい。   Even if the skeleton of the aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group is composed of only one kind of amine polymer unit, a polyamine chain composed of a copolymer of two or more kinds of amine units ( Copolymer). Further, in the skeleton of the aliphatic polyamine chain (a1), polymerized units other than amines may be present as long as the aggregate can be formed in an aqueous medium. From the viewpoint of suitably forming an aggregate, the proportion of other polymerized units is preferably contained in the amine skeleton of the aliphatic polyamine chain (a1) at 50 mol% or less, and at 30 mol% or less. More preferably, it is most preferably 15 mol% or less.

共重合体(A)中の疎水性有機セグメント(a2)は、水性溶媒中、疎水作用によって当該疎水性有機セグメント(a2)をコアとする安定な会合体を形成できれば、特に制限されず、例えば、アルキル化合物からなるセグメントや、ポリアクリレート、ポリスチレン、ポリウレタンなどの疎水性ポリマーからなるセグメントを挙げることが出来る。アルキル化合物の場合は、炭素数が5以上のアルキレン鎖を有する化合物であることが好ましく、炭素数10以上のアルキレン鎖を有する化合物であることがより好ましい。疎水性ポリマー鎖の長さとしては、会合体をナノサイズで安定化できる範囲であれば特に制限されないが、好適に会合体を形成できる点から、ポリマー鎖の重合単位の繰り返し単位数が5−10,000の範囲であることが好ましく、特に5−1000の範囲であることが好ましい。   The hydrophobic organic segment (a2) in the copolymer (A) is not particularly limited as long as it can form a stable aggregate having the hydrophobic organic segment (a2) as a core by a hydrophobic action in an aqueous solvent. And a segment made of an alkyl compound and a segment made of a hydrophobic polymer such as polyacrylate, polystyrene, or polyurethane. In the case of an alkyl compound, a compound having an alkylene chain having 5 or more carbon atoms is preferable, and a compound having an alkylene chain having 10 or more carbon atoms is more preferable. The length of the hydrophobic polymer chain is not particularly limited as long as the aggregate can be stabilized in the nano size, but the number of repeating units of polymer units of the polymer chain is 5- A range of 10,000 is preferable, and a range of 5-1000 is particularly preferable.

脂肪族ポリアミン(a1)に疎水性有機セグメント(a2)を結合させるその方法としては、安定な化学結合であれば特に制限されず、例えば、ポリアミンの末端にカップリングすることによって結合したもの、又はポリアミンの骨格の上にグラフト化によって結合したものであってもよい。一個のポリアミン鎖(a1)に一個の疎水性有機セグメント(a2)が結合してなるものであっても、複数の疎水性有機セグメント(a2)が結合してなるものであっても良い。   The method for bonding the hydrophobic organic segment (a2) to the aliphatic polyamine (a1) is not particularly limited as long as it is a stable chemical bond, and, for example, bonded by coupling to the terminal of the polyamine, or It may be bonded to the polyamine skeleton by grafting. One hydrophobic organic segment (a2) may be bonded to one polyamine chain (a1), or a plurality of hydrophobic organic segments (a2) may be bonded.

共重合体(A)中の脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)との割合は、水性媒体中で安定な会合体を形成できる範囲であれば特に制限されない。容易に会合体を形成できる点からは、ポリアミン鎖の割合が10−90質量%の範囲であることが好ましく、30−70質量%の範囲であることがより好ましく、40−60質量%の範囲であることが最も好ましい。   The ratio of the aliphatic polyamine chain (a1) and the hydrophobic organic segment (a2) in the copolymer (A) is not particularly limited as long as a stable aggregate can be formed in the aqueous medium. From the viewpoint of easily forming an aggregate, the proportion of the polyamine chain is preferably in the range of 10-90% by mass, more preferably in the range of 30-70% by mass, and in the range of 40-60% by mass. Most preferably.

本発明において使用する共重合体(A)としては、様々な機能性を有する分子を適宜選択して、共重合体(A)を修飾することが可能である。修飾については、脂肪族ポリアミン(a1)への修飾であっても、疎水性有機セグメント(a2)への修飾であってもよい。共重合体(A)への修飾は、水性溶媒中で安定な会合体を形成できれば、どのような機能性分子を導入してもよく、修飾された共重合体(A)の会合体をテンプレートとしてシリカを析出することによって、任意の機能性分子が導入されたコア−シェル型シリカナノ粒子を得ることができる。このような観点から、特に蛍光性化合物で修飾することが好ましく、該蛍光性化合物を用いた場合には、得られるコア−シェル型シリカナノ粒子も蛍光性を発現し、種々の応用分野で好適に用いることが可能となる。   As the copolymer (A) used in the present invention, it is possible to modify the copolymer (A) by appropriately selecting molecules having various functionalities. The modification may be modification to the aliphatic polyamine (a1) or modification to the hydrophobic organic segment (a2). For the modification to the copolymer (A), any functional molecule may be introduced as long as a stable association can be formed in an aqueous solvent, and the association of the modified copolymer (A) is used as a template. As a result of depositing silica, core-shell type silica nanoparticles having an arbitrary functional molecule introduced can be obtained. From such a viewpoint, it is particularly preferable to modify with a fluorescent compound, and when the fluorescent compound is used, the obtained core-shell type silica nanoparticles also exhibit fluorescence and are suitable for various application fields. It can be used.

[コア−シェル型シリカナノ粒子]
本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、疎水性有機セグメント(a2)部分を主成分とするコア層と、脂肪族ポリアミン鎖(a1)とシリカ(B)とを主成分とする複合体からなるシェル層とを有するコア−シェル型シリカナノ粒子である。ここで、主成分とするとは、意図的に第三成分を導入しない限りにおいて、共重合体(A)とシリカ(B)以外の成分が入らないこと、および、水性媒体中での共重合体(A)の会合体形成において、例えば、コア部にポリアミン鎖(a1)が一部入っていたり、シェル層部分に疎水性有機セグメント(a2)が一部入っていたりすることがあることを示すものである。特に粒子におけるシェル層は、シリカが形成するマトリックスに脂肪族ポリアミン鎖(a1)が複合化されてなる有機無機複合体である。
[Core-shell type silica nanoparticles]
The core-shell type silica nanoparticles of the present invention comprise a core layer mainly composed of a hydrophobic organic segment (a2) portion, and a composite composed mainly of an aliphatic polyamine chain (a1) and silica (B). A core-shell type silica nanoparticle having a shell layer. Here, the main component means that no components other than the copolymer (A) and silica (B) are contained unless the third component is intentionally introduced, and the copolymer in an aqueous medium. In the formation of the aggregate in (A), for example, the core part may contain a part of the polyamine chain (a1) or the shell layer part may contain a part of the hydrophobic organic segment (a2). Is. In particular, the shell layer in the particles is an organic-inorganic composite in which an aliphatic polyamine chain (a1) is combined with a matrix formed by silica.

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、その粒径は5〜100nmの範囲のものが得られ、特に5−50nmの範囲のコア−シェル型シリカナノ粒子を好適に得ることができる。該コア−シェル型シリカナノ粒子の粒径は会合体の調製〔例えば、用いる共重合体(A)の種類、組成、分子量など〕や、シリカソースの種類及びゾルゲル反応条件等により調整できる。また、コア−シェル型シリカナノ粒子は、分子の自己組織化によるもので形成されることから、極めて優れた単分散性を有し、特に粒径分布の幅が平均粒径に対して±15%以下とする事が可能である。   The core-shell type silica nanoparticles of the present invention have a particle size in the range of 5 to 100 nm, and particularly core-shell type silica nanoparticles in the range of 5 to 50 nm can be suitably obtained. The particle diameter of the core-shell type silica nanoparticles can be adjusted by the preparation of the aggregate (for example, the type, composition, molecular weight, etc. of the copolymer (A) to be used), the type of silica source, the sol-gel reaction conditions, and the like. Further, since the core-shell type silica nanoparticles are formed by self-organization of molecules, they have extremely excellent monodispersity, and in particular, the width of the particle size distribution is ± 15% with respect to the average particle size. It is possible to:

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子の形状は、球状又はアスペクト比が2以上の紐状とすることが可能である。また、一個の粒子内に複数のコアを有するコア−シェル型シリカナノ粒子合成も可能である。該粒子の形状や構造などは共重合体(A)の組成、会合体の調整やシリカソースの種類及びゾルゲル反応条件等により調整できる。   The core-shell type silica nanoparticles of the present invention can have a spherical shape or a string shape with an aspect ratio of 2 or more. Also, core-shell type silica nanoparticles having a plurality of cores in one particle can be synthesized. The shape and structure of the particles can be adjusted by the composition of the copolymer (A), the adjustment of the aggregate, the type of silica source, the sol-gel reaction conditions, and the like.

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子中のシリカの含有量は、反応条件などにより一定の幅で変化させることが可能であり、一般的にはコア−シェル型シリカナノ粒子全体の30〜95質量%、好ましくは60〜90質量%の範囲とすることができる。シリカの含有量はゾルゲル反応の際に用いた共重合体(A)中の脂肪族ポリアミン鎖(a1)の含有量、会合体の量、シリカソースの種類及び量、ゾルゲル反応時間や温度などを変えることで変化させることができる。   The content of silica in the core-shell type silica nanoparticles of the present invention can be varied within a certain range depending on the reaction conditions and the like, and is generally 30 to 95% by mass of the entire core-shell type silica nanoparticles. , Preferably it can be set as the range of 60-90 mass%. The content of silica includes the content of the aliphatic polyamine chain (a1) in the copolymer (A) used in the sol-gel reaction, the amount of aggregate, the type and amount of silica source, the sol-gel reaction time and temperature, etc. It can be changed by changing.

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、シリカ析出後に、有機シランを用いてゾルゲル反応を行う事で、コア−シェル型シリカナノ粒子にポリシルセスキオキサンを含有させることができる。このような、ポリシルセスキオキサンを含有するコア−シェル型シリカナノ粒子は、優れた単分散性を示すと共に、溶媒中高いゾル安定性を持つことが出来る。また、乾燥しても、再び媒体中に再分散することができる。これは、従来シリカナノ粒子分散液を一旦乾燥したら、粒子状への再分散が困難であることと大きく異なる特性である。従来のストーバー法などで得られるシリカ微粒子の場合、得られた微粒子の表面を界面活性剤のような物質で化学修飾しない限り、媒体中での再分散性は困難であり、又、乾燥によって、二次凝集などが生じるため、ナノレベルの超微小粒子を得るための粉砕処理等が必要である場合が多い。   The core-shell type silica nanoparticles of the present invention can contain polysilsesquioxane in the core-shell type silica nanoparticles by performing a sol-gel reaction using organosilane after silica deposition. Such a core-shell type silica nanoparticle containing polysilsesquioxane exhibits excellent monodispersity and high sol stability in a solvent. Moreover, even if it dries, it can be re-dispersed in the medium again. This is a characteristic that is greatly different from that once a conventional silica nanoparticle dispersion is dried, it is difficult to redisperse into a particulate form. In the case of silica fine particles obtained by a conventional Stover method or the like, redispersibility in a medium is difficult unless the surface of the obtained fine particles is chemically modified with a substance such as a surfactant. Since secondary agglomeration or the like occurs, a pulverization treatment for obtaining nano-level ultrafine particles is often necessary.

また、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、シェル層のシリカのマトリックスに存在する脂肪族ポリアミン鎖(a1)により、金属イオンを高度に濃縮して吸着させることができる。また、該脂肪族ポリアミン鎖(a1)はカチオン性であるため、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、アニオン性の生体材料などの各種イオン性物質の吸着や固定化も可能である。さらに共重合体(A)中の疎水性有機セグメント(a2)部分は機能性に応じて種々選択でき、またその構造制御も容易であることから、各種機能を付与することが可能である。   Moreover, the core-shell type silica nanoparticles of the present invention can adsorb metal ions highly concentrated by the aliphatic polyamine chain (a1) present in the silica matrix of the shell layer. Further, since the aliphatic polyamine chain (a1) is cationic, the core-shell type silica nanoparticles of the present invention can adsorb and immobilize various ionic substances such as anionic biomaterials. Furthermore, the hydrophobic organic segment (a2) portion in the copolymer (A) can be variously selected depending on the functionality, and the structure can be easily controlled, so that various functions can be imparted.

例えば、機能の付与としては、蛍光性物質の固定化などが挙げられる。例えば、脂肪族ポリアミン鎖(a1)に少量の蛍光性物質、ピレン類、ポルフィリン類などを導入すると、その機能性残基がシリカナノ粒子のシェル層に取りこまれることになる。さらに、脂肪族ポリアミン鎖(a1)の塩基に酸性基、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基を有するポルフィリン類、フタロシアニン類、ピレン類など蛍光性染料を少量混合させたものを使用することでシリカナノ粒子中のシェル層に、これらの蛍光性物質を取り込むことができる。また、同じように機能性物質を選択的に疎水性有機セグメント(a2)に固定し、会合体を形成して、シリカを析出させることで、機能性物質をシリカナノ粒子のコア層に選択的取り込ませることも出来る。   For example, the function may be given by immobilizing a fluorescent substance. For example, when a small amount of a fluorescent substance, pyrenes, porphyrins or the like is introduced into the aliphatic polyamine chain (a1), the functional residue is taken into the shell layer of the silica nanoparticles. Furthermore, by using a mixture of a small amount of fluorescent dyes such as porphyrins, phthalocyanines, pyrenes having acidic groups, for example, carboxylic acid groups and sulfonic acid groups, in the base of the aliphatic polyamine chain (a1), silica nano These fluorescent substances can be incorporated into the shell layer in the particles. Similarly, the functional substance is selectively fixed to the hydrophobic organic segment (a2), an aggregate is formed, and silica is precipitated to selectively incorporate the functional substance into the core layer of the silica nanoparticles. It can also be made.

また、本発明のシリカナノ粒子は乾燥して粉体としての使用が可能であり、その他の樹脂等の化合物へのフィラーとして用いることもできる。乾燥後の粉体を溶媒に再分散させてなる分散体、又はゾルとして、その他の化合物へ配合することも可能である。   The silica nanoparticles of the present invention can be dried and used as a powder, and can also be used as a filler for other compounds such as resins. It is also possible to blend into other compounds as a dispersion or sol obtained by redispersing the dried powder in a solvent.

[コア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法]
本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法は、一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)の、水性媒体中で形成する会合体の存在下で、シリカ(B)を析出させる工程を特徴とする。さらに、前記工程でシリカを形成させた後、有機シランのゾルゲル反応を行う工程を有すると、ポリシルセスキオキサンを導入することもできる。
[Method for producing core-shell type silica nanoparticles]
The method for producing core-shell type silica nanoparticles of the present invention comprises a copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2). A step of precipitating silica (B) in the presence of an aggregate formed in an aqueous medium. Furthermore, after having formed the silica by the said process, when it has the process of performing the sol-gel reaction of organosilane, polysilsesquioxane can also be introduce | transduced.

本発明の製造方法においては、まず、一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)を、水性媒体中に溶解する。これにより、コア−シェル構造を有する会合体を自己組織化によって形成させることができる。該会合体のコアは疎水性有機セグメント(a2)を主成分とするものであり、シェル層は脂肪族ポリアミン鎖(a1)を主成分とするものであって、疎水性有機セグメント(a2)の疎水相互作用によって、媒体中に安定な会合体を形成すると考えられる。   In the production method of the present invention, first, a copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2) is treated with an aqueous medium. Dissolve in. Thereby, the aggregate | assembly which has a core-shell structure can be formed by self-organization. The core of the aggregate is mainly composed of the hydrophobic organic segment (a2), the shell layer is composed mainly of the aliphatic polyamine chain (a1), and the hydrophobic organic segment (a2) Hydrophobic interactions are thought to form stable aggregates in the medium.

該会合体を形成する際の水性媒体は水を含み、安定な会合体を形成できるものであれば、特に制限されず、例えば、水、水と水溶性溶媒の混合溶液を挙げることができる。混合溶液を用いる場合は、混合溶液中の水の量は、体積比として水/水溶性溶媒が0.5/9.5〜3/7の範囲であればよく、0.1/9.9〜5/5の範囲であればより好ましい。生産性、環境やコストなどの観点から、水とアルコールの混合溶液を用いてもよいが、水のみを用いることが好ましい。   The aqueous medium for forming the aggregate is not particularly limited as long as it contains water and can form a stable aggregate, and examples thereof include water and a mixed solution of water and a water-soluble solvent. When using a mixed solution, the amount of water in the mixed solution may be such that the volume ratio of water / water-soluble solvent is in the range of 0.5 / 9.5 to 3/7, and 0.1 / 9.9. A range of ˜5 / 5 is more preferable. From the viewpoint of productivity, environment and cost, a mixed solution of water and alcohol may be used, but it is preferable to use only water.

水性媒体中での共重合体(A)の濃度は、基本的に会合体同士の融合が起こらない範囲であれば良いが、通常、濃度範囲としては、0.05〜15質量%であり、好ましい濃度範囲は0.1〜10質量%であり、最も好ましい濃度範囲は0.2〜5質量%である。   The concentration of the copolymer (A) in the aqueous medium may basically be within a range where the coalescence of the aggregates does not occur, but usually the concentration range is 0.05 to 15% by mass, A preferred concentration range is 0.1 to 10% by mass, and a most preferred concentration range is 0.2 to 5% by mass.

本発明での水性媒体中における、共重合体(A)の自己組織化による会合体形成は、プロセス的には簡便であるが、官能基を2以上持つ有機化合物を用いて、その会合体のシェル層のポリアミン鎖(a1)を架橋することも可能であり、会合体類似のものを得ることもできる。例えば、官能基を2個以上持つアルデヒド類化合物、エポキシ化合物、不飽和二重結合含有化合物、カルボキシル基含有化合物などを使用してもよい。   Formation of the aggregate by self-assembly of the copolymer (A) in the aqueous medium in the present invention is simple in terms of process, but using an organic compound having two or more functional groups, It is possible to crosslink the polyamine chain (a1) of the shell layer, and it is also possible to obtain an aggregate-like one. For example, an aldehyde compound having two or more functional groups, an epoxy compound, an unsaturated double bond-containing compound, a carboxyl group-containing compound, or the like may be used.

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法は、前記会合体形成の工程に引き続き、シリカ形成の工程、即ち水の存在下で、前記会合体をテンプレートとし、シリカソースのゾルゲル反応を行う工程を有する物であり、更に、シリカ析出後に、有機シランを用いてさらにゾルゲル反応を行う事で、コア−シェル型シリカナノ粒子にポリシルセスキオキサンを含有させることもできる。   The method for producing core-shell type silica nanoparticles of the present invention comprises a step of forming a silica, ie, a step of performing a sol-gel reaction of a silica source using the association in the presence of water as a template in the presence of water, following the association formation step. Furthermore, polysilsesquioxane can also be contained in the core-shell type silica nanoparticles by further performing a sol-gel reaction using organosilane after silica deposition.

ゾルゲル反応を行う方法としては、会合体の溶液とシリカソースとを混合することで、コア−シェル型シリカナノ粒子を容易に得ることができる。シリカソースとしては、水ガラス、テトラアルコキシシラン類、テトラアルコキシシランのオリゴマー類などが挙げられる。   As a method for performing the sol-gel reaction, core-shell type silica nanoparticles can be easily obtained by mixing an aggregate solution and a silica source. Examples of the silica source include water glass, tetraalkoxysilanes, tetraalkoxysilane oligomers, and the like.

テトラアルコキシシラン類としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラ−t−ブトキシシランなどを挙げられる。   Examples of tetraalkoxysilanes include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, and tetra-t-butoxysilane.

更にテトラメトキシシランの4量体、テトラメトキシシランの7量体、テトラエトキシシラン5量体、テトラエトキシシラン10量体などが挙げられる。   Furthermore, tetramethoxysilane tetramer, tetramethoxysilane heptamer, tetraethoxysilane pentamer, tetraethoxysilane decamer and the like can be mentioned.

コア−シェル型シリカナノ粒子を与える上記ゾルゲル反応は、溶媒の連続相では起こらず、会合体ドメインだけで選択的に進行する。従って、会合体が解体することがなければ、反応条件は任意である。   The sol-gel reaction that gives the core-shell type silica nanoparticles does not occur in the continuous phase of the solvent but proceeds selectively only in the aggregate domain. Accordingly, the reaction conditions are arbitrary as long as the aggregate is not disassembled.

ゾルゲル反応においては、会合体の量に対するシリカソースの量は特に制限されない。目的とするコア−シェル型シリカナノ粒子の組成に応じて、会合体とシリカソースとの割合は適宜に設定することが出来る。また、シリカ析出後に、有機シランを用いて、コア−シェル型シリカナノ粒子にポリシルセスキオキサンの構造を導入する場合は、有機シランの量としては、シリカソースの量に対して、50質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましい。   In the sol-gel reaction, the amount of silica source relative to the amount of aggregate is not particularly limited. Depending on the composition of the target core-shell type silica nanoparticles, the ratio of the aggregate to the silica source can be appropriately set. In addition, when the structure of polysilsesquioxane is introduced into the core-shell type silica nanoparticles using organosilane after silica deposition, the amount of organosilane is 50% by mass with respect to the amount of silica source. Or less, more preferably 30% by mass or less.

ポリシルセスキオキサンをナノ粒子に導入する場合に用いることができる有機シランとしては、アルキルトリアルコキシシラン類、ジアルキルアルコキシシラン類、トリアルキルアルコキシシラン類などが挙げられる。   Examples of the organic silane that can be used when polysilsesquioxane is introduced into the nanoparticles include alkyltrialkoxysilanes, dialkylalkoxysilanes, and trialkylalkoxysilanes.

アルキルトリアルコキシシラン類としては、例えば、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、iso−プロピルトリメトキシシラン、iso−プロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトメトキシシラン、3−メルカプトトリエトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリメトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリエトキシシランなどが挙げられる。   Examples of alkyltrialkoxysilanes include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, and iso-propyltrimethoxysilane. , Iso-propyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-glycitoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycitoxypropyltriethoxy Silane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltomethoxysilane, 3-mercaptotriethoxysilane, 3,3,3- Rifluoropropyltrimethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p- Examples include chloromethylphenyltrimethoxysilane and p-chloromethylphenyltriethoxysilane.

ジアルキルアルコキシシラン類としては、例えば、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシランなどが挙げられる。   Examples of dialkylalkoxysilanes include dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyldimethoxysilane, and diethyldiethoxysilane.

トリアルキルアルコキシシラン類としては、例えば、トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシランなどが挙げられる。   Examples of trialkylalkoxysilanes include trimethylmethoxysilane and trimethylethoxysilane.

ゾルゲル反応の温度は特に制限されず、例えば、0〜90℃の範囲であることが好ましく、10〜40℃の範囲であることがより好ましい。効率的にコア−シェル型シリカナノ粒子を製造するために、反応温度を15〜30℃の範囲に設定すればさらに好適である。   The temperature of the sol-gel reaction is not particularly limited, and is preferably in the range of 0 to 90 ° C, and more preferably in the range of 10 to 40 ° C. In order to efficiently produce core-shell type silica nanoparticles, it is more preferable to set the reaction temperature in the range of 15 to 30 ° C.

ゾルゲル反応の時間は1分から数週間まで様々であり任意で選択できるが、水ガラスやアルコキシシランの反応活性の高いメトキシシラン類の場合は、反応時間は1分〜24時間でよく、反応効率を上げることから、反応時間を30分〜5時間に設定すればさらに好適である。また、反応活性が低い、エトキシシラン類、ブトキシシラン類の場合は、ゾルゲル反応時間は5時間以上であることが好ましく、その時間を一週間程度とすることも好ましい。有機シランでのゾルゲル反応の時間としては、反応の温度によって、3時間〜1週間の範囲にあることが望ましい。   The sol-gel reaction time varies from 1 minute to several weeks and can be arbitrarily selected. In the case of methoxysilanes having high reaction activity of water glass or alkoxysilane, the reaction time may be from 1 minute to 24 hours, and the reaction efficiency is improved. Therefore, it is more preferable to set the reaction time to 30 minutes to 5 hours. In the case of ethoxysilanes and butoxysilanes having low reaction activity, the sol-gel reaction time is preferably 5 hours or more, and the time is preferably about one week. The time for the sol-gel reaction with organosilane is preferably in the range of 3 hours to 1 week depending on the temperature of the reaction.

本発明の製造方法によれば、互いに凝集せず、粒径が均一なコア−シェル型シリカナノ粒子を得ることができる。得られるコア−シェル型シリカナノ粒子の粒径分布は、製造条件や、目的とする粒径によっても変化するが、目的とする粒径(平均粒径)に対し±15%以下、好ましい条件下では、±10%以下の範囲のものを製造できる。   According to the production method of the present invention, core-shell type silica nanoparticles having a uniform particle size that do not aggregate with each other can be obtained. The particle size distribution of the obtained core-shell type silica nanoparticles varies depending on the production conditions and the target particle size, but is ± 15% or less with respect to the target particle size (average particle size). Can be produced within a range of ± 10% or less.

以上記載したように、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法では、従来のコア−シェル型シリカナノ粒子とは異なって、シェル層シリカのマトリックスに反応性の高い一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)が導入され、粒径が5〜100nm、特には5〜30nmの範囲内であり、単分散性に優れたコア−シェル型シリカナノ粒子を製造できる。得られたコア−シェル型シリカナノ粒子はポリシルセスキオキサンで修飾することも出来ることから、樹脂フィラーや研磨剤充填物としての応用も期待できる。   As described above, unlike the conventional core-shell type silica nanoparticles, the core-shell type silica nanoparticles production method of the present invention differs from the conventional core-shell type silica nanoparticles in that the shell layer silica matrix is highly reactive with primary amino groups and / or two. An aliphatic polyamine chain (a1) having a secondary amino group is introduced, and the particle diameter is in the range of 5 to 100 nm, particularly 5 to 30 nm, and core-shell type silica nanoparticles excellent in monodispersity can be produced. Since the obtained core-shell type silica nanoparticles can be modified with polysilsesquioxane, application as a resin filler or abrasive filler can also be expected.

また、本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、シェル層のシリカのマトリックスに複合化されて存在する、反応性の高い一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)により、各種物質の固定化や濃縮が可能であり、更にコア層に存在する疎水性有機セグメント(a2)を機能化することも可能である。このように本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子は、ナノサイズの球状中に選択的に金属や生体材料の固定化、濃縮や粒子内部に機能性分子修飾が可能であることから、電子材料分野、バイオ分野、環境対応製品分野などの各種分野において有用な材料である。   In addition, the core-shell type silica nanoparticles of the present invention have a highly reactive primary amino group and / or aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group present in a composite form in the silica matrix of the shell layer. Thus, various substances can be immobilized and concentrated, and the hydrophobic organic segment (a2) present in the core layer can be functionalized. As described above, the core-shell type silica nanoparticles of the present invention are capable of selectively immobilizing and concentrating metals and biomaterials in nano-sized spheres, and functional molecules can be modified inside the particles. It is a useful material in various fields such as biotechnology field and environment-friendly product field.

本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法は広範に利用されている既知のストーバー方法等の製造方法に比べて、極めて容易であり、ストーバー法ではできないコア−シェル型シリカナノ粒子を製造できることから、その応用には業種、領域を問わず、大きな期待が寄せられる。シリカ材料の全般応用領域にはもちろんのこと、ポリアミンが応用される領域においても有用な材料である。   The production method of the core-shell type silica nanoparticles of the present invention is extremely easy as compared with the production methods such as the known Stover method that is widely used, and the core-shell type silica nanoparticles that cannot be produced by the Stover method can be produced. The application has great expectations regardless of the type of business or domain. In addition to the general application area of silica materials, it is also a useful material in areas where polyamines are applied.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、特に断わりがない限り、「%」は「質量%」を表わす。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to these Examples. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.

[NMR測定による共重合体とシリカとの化学結合評価]
合成した共重合体(A)に対してH−NMR測定(日本電子株式会社製、AL300、300Hz)を行い、化学構造を同定した。また、コア−シェル型シリカナノ粒子粉末を用いて、固体29Si CP/MAS−NMR(日本電子株式会社製、JNM−ECA600、600Hz)を行い、シリカの縮合度(Q4,Q3,Q2)を評価した。
[Evaluation of chemical bond between copolymer and silica by NMR measurement]
1 H-NMR measurement (manufactured by JEOL Ltd., AL300, 300 Hz) was performed on the synthesized copolymer (A) to identify the chemical structure. In addition, solid 29 Si CP / MAS-NMR (manufactured by JEOL Ltd., JNM-ECA600, 600 Hz) is performed using the core-shell type silica nanoparticle powder, and the condensation degree (Q4, Q3, Q2) of silica is evaluated. did.

[透過電子顕微鏡による観察]
合成したシリカナノ粒子の分散溶液をエタノールで希釈し、それを炭素蒸着された銅グリッドに乗せ、サンプルを日本電子株式会社製、JEM−2200FSにて観察を行った。
[Observation with transmission electron microscope]
The synthesized dispersion of silica nanoparticles was diluted with ethanol, placed on a carbon-deposited copper grid, and the sample was observed with JEM-2200FS manufactured by JEOL Ltd.

[X線小角散乱による粒径とコア−シェル構造の評価]
シリカナノ粒子の粉末を小角散乱(リガク製、TTRII)で測定し、散乱曲線のNANO−Solver解析により粒子径を見積もった。
[Evaluation of particle size and core-shell structure by small-angle X-ray scattering]
The silica nanoparticle powder was measured by small angle scattering (manufactured by Rigaku, TTRII), and the particle size was estimated by NANO-Solver analysis of the scattering curve.

[TGA測定による組成の評価]
シリカナノ粒子の粉末をTGA測定(SIIナノテクノロジー株式会社製、TG/DTA6300)し、150−800℃範囲の質量減少により、粒子の組成を見積もった。
[Evaluation of composition by TGA measurement]
The silica nanoparticle powder was subjected to TGA measurement (TG / DTA6300, manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd.), and the particle composition was estimated by mass reduction in the range of 150 to 800 ° C.

合成例1 <共重合体(A−1)の合成>
分岐状ポリエチレンイミン(SP003、日本触媒社製、平均分子量300)の1.5gとグリシジルヘキサデシルエーテル(Aldrich社試薬、以下EP−C16)の0.5gとをエタノールの40mLに溶解させた。反応を75℃にて24時間行った。エタノールを除去し、60℃で真空乾燥を経て、共重合体(以下、A−1)を得た。H−NMR測定によって、エーテル酸素に隣接するプロトン由来のシグナル(3.0−4.0ppm)はブロードになったことから、共重合体(A−1)の形成が確認できた。
Synthesis Example 1 <Synthesis of Copolymer (A-1)>
1.5 g of branched polyethyleneimine (SP003, Nippon Shokubai Co., Ltd., average molecular weight 300) and 0.5 g of glycidyl hexadecyl ether (Aldrich reagent, hereinafter referred to as EP-C 16 ) were dissolved in 40 mL of ethanol. The reaction was carried out at 75 ° C. for 24 hours. Ethanol was removed, and a copolymer (hereinafter referred to as A-1) was obtained through vacuum drying at 60 ° C. By 1 H-NMR measurement, a signal derived from a proton adjacent to ether oxygen (3.0 to 4.0 ppm) was broad, and thus the formation of the copolymer (A-1) was confirmed.

上記に示した方法を用いて、共重合体(以下、A−2〜A−13)の合成を行った。用いた原料の質量割合を表1に示す。SP003,SP006,SP012,SP018,SP200とP1000は分岐状ポリエチレンイミン(日本触媒社製)であり、平均分子量はそれぞれ300、600、1200、1800、10,000と70,000である。ポリアリルアミン(PAA)の平均分子量は15,000である(日東紡社製)。2−エチルヘキシルグリシジルエーテルは東京化成社試薬社の試薬(以下、EP−C)である。 A copolymer (hereinafter, A-2 to A-13) was synthesized using the method shown above. Table 1 shows the mass ratio of the raw materials used. SP003, SP006, SP012, SP018, SP200 and P1000 are branched polyethyleneimines (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.), and the average molecular weights are 300, 600, 1200, 1800, 10,000 and 70,000, respectively. The average molecular weight of polyallylamine (PAA) is 15,000 (manufactured by Nittobo). 2-Ethylhexyl glycidyl ether is a reagent (hereinafter referred to as EP-C 8 ) manufactured by Tokyo Chemical Industry Reagents.

実施例1<コア−シェル型シリカナノ粒子の合成>
共重合体(A−8)の0.05gと水の5mLとの混合溶液を80℃で24時間攪拌することで、会合体を得た。この会合体の分散溶液にMS51(メトキシシランの4量体)の0.50mLをシリカソースとして加えた。得られた分散溶液を室温にて4時間攪拌した後、エタノールでの洗浄、乾燥を経て、粉体を得た。TGA測定データから見積もることにより、粉体中の有機成分の含有率は17.3%であった。TEM観察により、得られた粉体がコア−シェル構造を有することが確認出来た(図1)。中心部3.5nmのコアは比較的電子密度の低い疎水性有機セグメントと考えられ、明るく見える。一方、4nmのシェル層は電子密度の高い脂肪族ポリアミンとシリカとの複合体と考えられ、暗く見える。また、得られた粉体の形状は単分散性に優れた球状であり、粒径が〜11nmであった。
Example 1 <Synthesis of core-shell type silica nanoparticles>
An aggregate was obtained by stirring a mixed solution of 0.05 g of copolymer (A-8) and 5 mL of water at 80 ° C. for 24 hours. To the dispersion solution of this aggregate, 0.50 mL of MS51 (methoxysilane tetramer) was added as a silica source. The obtained dispersion solution was stirred at room temperature for 4 hours, then washed with ethanol and dried to obtain a powder. As a result of estimation from TGA measurement data, the organic component content in the powder was 17.3%. It was confirmed by TEM observation that the obtained powder had a core-shell structure (FIG. 1). The core with a center of 3.5 nm is considered to be a hydrophobic organic segment having a relatively low electron density, and appears bright. On the other hand, the 4 nm shell layer is considered to be a complex of an aliphatic polyamine having high electron density and silica, and looks dark. Moreover, the shape of the obtained powder was a sphere excellent in monodispersibility, and the particle size was ˜11 nm.

実施例1で得られた粉体をX線小角散乱測定により評価した。試料の散乱からの計算により、粒径、コアサイズとシェルの厚みがそれぞれ11.9nm、3.1nmと4.3nmであった。これはTEM観察の結果とほぼ一致する。   The powder obtained in Example 1 was evaluated by X-ray small angle scattering measurement. As calculated from the scattering of the sample, the particle size, core size and shell thickness were 11.9 nm, 3.1 nm and 4.3 nm, respectively. This almost coincides with the result of TEM observation.

また、29Si CP/MAS−NMRを用いて、粉体中のシリカの化学結合を評価した。その結果、シリカネットワークのQ4,Q3とQ2の積分面積がそれぞれ45.5%、51.9%と2.6%であった。Q4とQ3の圧倒的な存在は共重合体(C)の会合体のシェルであるポリアミンがゾルゲル反応に触媒/足場機能することを示唆する。以上から、実施例1で得られた粉体が本発明のコア−シェル型シリカナノ粒子であることが確認できた。 Further, by using the 29 Si CP / MAS-NMR, it was evaluated chemical bonding of the silica in the powder. As a result, the integrated areas of Q4, Q3 and Q2 of the silica network were 45.5%, 51.9% and 2.6%, respectively. The overwhelming presence of Q4 and Q3 suggests that the polyamine which is the shell of the aggregate of the copolymer (C) functions as a catalyst / scaffold for the sol-gel reaction. From the above, it was confirmed that the powder obtained in Example 1 was the core-shell type silica nanoparticles of the present invention.

実施例2−16
実施例1に示した会合体の作製方法とシリカソースのゾルゲル反応条件を用いて、コア−シェル型シリカナノ粒子の合成を行った。結果を表2に示す。ゾルゲル反応は室温で4時間行った。平均サイズおよび形状確認はTEM観察による結果である。実施例5、実施例8、実施例11と実施例12のコア−シェル型シリカナノ粒子のTEM写真はそれぞれ図2、図3、図4と図5に示す。
Example 2-16
Core-shell type silica nanoparticles were synthesized using the method for producing aggregates and the sol-gel reaction conditions of silica source shown in Example 1. The results are shown in Table 2. The sol-gel reaction was performed at room temperature for 4 hours. The average size and shape confirmation are the results of TEM observation. TEM photographs of the core-shell type silica nanoparticles of Example 5, Example 8, Example 11 and Example 12 are shown in FIGS. 2, 3, 4 and 5, respectively.

比較例1
分岐状ポリエチレンイミン(SP200、日本触媒社製、平均分子量10,000)を用いて、実施例1と同じ方法で会合体形成とシリカ析出を行ったところ、溶液全体がゲル化をした。分岐状ポリエチレンイミンに疎水性セグメントが結合してないことから、シリカソースのゾルゲル反応にテンプレートとなる会合体形成することができなく、コア−シェル型シリカナノ粒子形成が不可能である。
Comparative Example 1
Using branched polyethyleneimine (SP200, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., average molecular weight 10,000), aggregate formation and silica precipitation were performed in the same manner as in Example 1. As a result, the entire solution was gelled. Since the hydrophobic segment is not bonded to the branched polyethyleneimine, it is impossible to form an aggregate as a template in the sol-gel reaction of silica source, and it is impossible to form core-shell type silica nanoparticles.

比較例2
特開2010−118168号公報(合成例1)に示された方法に従って、分岐状ポリエチレンイミン(平均分子量10,000)に親水性ポリエチレングリコール(平均分子量5,000)を結合させた(エチレンイミン単位対エチレングリコール単位のモル比は1:3である)。得られた共重合体を用いて、実施例1と同じ方法で会合体形成とシリカ析出を行ったところ、溶液全体がゲル化をした。ポリエチレングリコールが親水性であることから、水中での疎水相互作用で疎水性のコアを有するコア−シェル会合体の形成ができないため、コア−シェル型シリカナノ粒子形成することではなく、溶液全体がゲル化する。
Comparative Example 2
According to the method shown in JP 2010-118168 A (Synthesis Example 1), hydrophilic polyethylene glycol (average molecular weight 5,000) was bonded to branched polyethyleneimine (average molecular weight 10,000) (ethyleneimine unit) The molar ratio of ethylene glycol units is 1: 3). Using the obtained copolymer, aggregate formation and silica precipitation were carried out in the same manner as in Example 1. As a result, the entire solution was gelled. Since polyethylene glycol is hydrophilic, a core-shell aggregate having a hydrophobic core cannot be formed by hydrophobic interaction in water. Turn into.

実施例17<中性条件下でコア−シェル型シリカナノ粒子の合成>
共重合体(A−1)の0.05gと水の5mLとの混合溶液を80℃で24時間攪拌することで、会合体を得た。塩酸の水溶液を用いて、共重合体(A−1)会合体の分散溶液のpHを7.0付近に調節した。このように得られた会合体の分散溶液にMS51の0.50mLをシリカソースとして加えた。該混合溶液を室温にて4時間攪拌した後、ナノ粒子のゾル液を得た。該ゾル液は透明であり、室温で高いゾル安定を有する。ゾル液をエタノールで希釈し、TEM測定用のサンプルを作製した。TEM観察により、分散性に優れたコア−シェル型シリカナノ粒子の形成が確認出来た(図6)。粒子の粒径、コアサイズとシェル層厚みはそれぞれ10nm、3nmと4nmであった。
Example 17 <Synthesis of core-shell type silica nanoparticles under neutral conditions>
An aggregate was obtained by stirring a mixed solution of 0.05 g of the copolymer (A-1) and 5 mL of water at 80 ° C. for 24 hours. The pH of the dispersion solution of the copolymer (A-1) aggregate was adjusted to around 7.0 using an aqueous solution of hydrochloric acid. 0.50 mL of MS51 was added as a silica source to the aggregate dispersion thus obtained. After the mixed solution was stirred at room temperature for 4 hours, a nanoparticle sol solution was obtained. The sol solution is transparent and has high sol stability at room temperature. The sol solution was diluted with ethanol to prepare a sample for TEM measurement. By TEM observation, formation of core-shell type silica nanoparticles excellent in dispersibility could be confirmed (FIG. 6). The particle diameter, core size and shell layer thickness of the particles were 10 nm, 3 nm and 4 nm, respectively.

実施例18<ポリシルセスキオキサン修飾されたコア−シェル型シリカナノ粒子の合成>
実施例1のシリカ析出の後、分散溶液にトリメチルメトキシシラン0.1mLを加えた。得られた溶液を室温にて24時間攪拌して、エタノールでの洗浄、乾燥を経て、ポリシルセスキオキサン修飾されたコア−シェル型シリカナノ粒子を得た。TEM観察により、粒径が13nmの単分散性に優れた球状コア−シェル型シリカナノ粒子形成を確認した。
Example 18 <Synthesis of polysilsesquioxane modified core-shell type silica nanoparticles>
After silica precipitation in Example 1, 0.1 mL of trimethylmethoxysilane was added to the dispersion. The resulting solution was stirred at room temperature for 24 hours, washed with ethanol and dried to obtain polysilsesquioxane-modified core-shell type silica nanoparticles. By TEM observation, formation of spherical core-shell type silica nanoparticles having a particle size of 13 nm and excellent monodispersibility was confirmed.

Claims (8)

一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)の該疎水性有機セグメント(a2)部分を主成分とするコア層と、
前記脂肪族ポリアミン鎖(a1)とシリカ(B)とを主成分とする複合体からなるシェル層と、
を有することを特徴とするコア−シェル型シリカナノ粒子。
The hydrophobic organic segment (a2) portion of the copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2) as a main component A core layer to
A shell layer composed of a composite composed mainly of the aliphatic polyamine chain (a1) and silica (B);
A core-shell type silica nanoparticle characterized by comprising:
更に前記シェル層にポリシルセスキオキサン(C)を含有する請求項1記載のコア−シェル型シリカナノ粒子 The core-shell type silica nanoparticles according to claim 1, further comprising polysilsesquioxane (C) in the shell layer. 前記シェル層が、シリカ(B)のマトリックスに前記脂肪族ポリアミン鎖(a1)が複合化されてなるものである請求項1又は2記載のコア−シェル型シリカナノ粒子。 The core-shell type silica nanoparticles according to claim 1 or 2, wherein the shell layer is formed by complexing the aliphatic polyamine chain (a1) with a silica (B) matrix. 前記脂肪族ポリアミン鎖(a1)が分岐状ポリエチレンイミン鎖又はポリアリルアミン鎖である請求項1〜3の何れか1項記載のコア−シェル型シリカナノ粒子。 The core-shell type silica nanoparticles according to any one of claims 1 to 3, wherein the aliphatic polyamine chain (a1) is a branched polyethyleneimine chain or a polyallylamine chain. 前記疎水性有機セグメント(a2)が、重合度が5以上のポリスチレン、ポリアクリレート、ポリウレタン、および炭素数5以上のアルキレン鎖を有する化合物からなる群から選ばれる1種以上の疎水性有機セグメントである請求項1〜4の何れか1項記載のコア−シェル型シリカナノ粒子。 The hydrophobic organic segment (a2) is at least one hydrophobic organic segment selected from the group consisting of polystyrene, polyacrylate, polyurethane having a polymerization degree of 5 or more, and a compound having an alkylene chain having 5 or more carbon atoms. The core-shell type silica nanoparticles according to any one of claims 1 to 4. 平均粒径が5〜30nmであり、単分散性である請求項1〜5の何れか1項記載のコア−シェル型シリカナノ粒子。 The core-shell type silica nanoparticles according to any one of claims 1 to 5, which have an average particle diameter of 5 to 30 nm and are monodisperse. 一級アミノ基および/または二級アミノ基を有する脂肪族ポリアミン鎖(a1)と疎水性有機セグメント(a2)とを有する共重合体(A)を水性媒体と混合し、疎水性有機セグメント(a2)を主成分とするコア層と脂肪族ポリアミン鎖(a1)を主成分とするシェル層とからなる会合体を形成させ、該会合体をテンプレートとしてシリカソースのゾルゲル反応を行う工程を有することを特徴とするコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法。 A copolymer (A) having an aliphatic polyamine chain (a1) having a primary amino group and / or a secondary amino group and a hydrophobic organic segment (a2) is mixed with an aqueous medium, and the hydrophobic organic segment (a2) Characterized in that it comprises a step of forming an aggregate comprising a core layer composed mainly of an aliphatic polyamine chain (a1) and a shell layer composed mainly of an aliphatic polyamine chain (a1), and performing a sol-gel reaction of silica source using the aggregate as a template. A method for producing core-shell type silica nanoparticles. 更に、有機シランのゾルゲル反応を行う工程を有する請求項7記載のコア−シェル型シリカナノ粒子の製造方法。 Furthermore, the manufacturing method of the core-shell type silica nanoparticle of Claim 7 which has the process of performing the sol-gel reaction of organosilane.
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